Нанотехнологии и наноматериалы 13 Наука Science & Technique техника, № 5, 2012 и НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ УДК 621.315:621.785.3 ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Докт. физ.-мат. наук МАРКЕВИЧ М. И.1), докт. физ.-мат. наук, проф. ЧАПЛАНОВ А. М.2), канд. физ.-мат. наук ЩЕРБАКОВА Е. Н.2) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)Физико-технический институт НАН Беларуси С увеличением плотности тока в сверх- больших интегральных схемах (СБИС) возни- кает проблема межслойных соединений и кон- тактов c активными и пассивными элементами схемы. Использовавшийся ранее алюминий подвержен электромиграции, которая приводит к резкому падению надежности СБИС. В каче- стве замены применяется дисилицид титана (TiSi2), обладающий малым удельным сопро- тивлением [1, 2]. Наряду с TiSi2 перспективным материалом для применения в различных элек- тронных устройствах является дисилицид же- леза β-модификации FeSi2. В силу своих элек- трофизических, оптических и теплофизических свойств он находит применение в солнечных элементах для повышения их коэффициента полезного действия, в источниках излучения с λ ~ 1,5 мкм, в волоконно-оптических линиях связи [3, 4]. На основе силицидов железа соз- дают термоэлектрические элементы для термо- электрических генераторов и резистивные ма- териалы с низким температурным коэффициен- том сопротивления [5]. Следует отметить, что дальнейшее увеличе- ние степени интеграции невозможно без при- менения импульсных методов обработки сис- тем, которые позволяют снижать тепловую на- грузку на полупроводниковую пластину при создании СБИС. В проводимых авторами ис- следованиях для формирования тонких пленок дисилицидов железа и титана применялся им- пульсный фотонный отжиг (ИФО). Методика эксперимента. Исходная систе- ма для исследования закономерностей форми- рования дисилицида титана представляла собой многослойную систему TiN–Ti–Si, которая фор- мировалась на подложке кремния ориента- ции (001) методом магнетронного нанесения на установке Varian m2i. Предварительно проводи- лась химическая очистка подложки кремния в буферном травителе на основе HF с последую- щим ВЧ травлением в атмосфере аргона на глу- бину 5 нм. После ИФО системы TiN–Ti–Si сни- мался верхний защитный слой нитрида титана. Тонкопленочная система Si–Fe–Si была сформирована на кремниевой подложке мето- дом электронно-лучевого осаждения. Верхний слой кремния необходим для предотвращения окисления железа. Состав осажденной компо- зиции рассчитывался по формуле PFe = ρFedFe/АFe(ρFedFe/АFe + ρSidSi/АSi), (1) где ρFe и ρSi – плотность железа и кремния; AFe и ASi – атомный вес железа и кремния; dFe и dSi – толщина осажденной пленки железа и кремния; PFe – атомное процентное содержа- ние железа. Согласно расчетам соотношение толщин слоев в многослойной композиции Si–Fe–Si, оптимальное для формирования дисилицида железа FeSi2, составляло 50–30–50 нм. Напыленные тонкопленочные системы под- вергались ИФО на установке УОЛ.П-1, нагрев образцов в рабочей камере осуществлялся из- лучением трех газоразрядных ксеноновых ламп ИНП 16/250 в вакууме при Рост = 3 ∙ 10–3 Па. Исследования структурных и фазовых пре- вращений в системах проводили методами Нанотехнологии и наноматериалы 14 Наука и Science & Technique техника, № 5, 2012 электронной микроскопии на просвет (элек- тронный микроскоп JEM 200-CX) и электроно- графии на отражение (электронограф малоуг- ловой регистрирующий ЭМР-102). Для рас- шифровки электронограмм использовали базу данных of the International Centre for Diffraction Data. Исследования элементного состава про- водили с помощью системы энергодисперсион- ного микроанализа для сканирующих микро- скопов, установленной на микроскопе SEM 515. Качественный и количественный анализы про- водили с помощью пакета программного обес- печения Genesis SEM Quant ZAF software, использующего матрицу ZAF коррекции. Ве- личина ускоряющего напряжения в процессе проведения исследований составляла 6,3 кВ. Результаты и их обсуждение. Режимы термообработки существенно зависят от плот- ности энергии и длительности обработки. Вы- деляют три наиболее важных случая [6]: • адиабатический режим (10–10–10–6 с) реа- лизуется в диапазоне коротких световых им- пульсов; • режим теплового потока (10–6–10–2 с) реа- лизуется, когда за время импульсной фотонной обработки область диффузионного перераспре- деления теплоты становится больше толщины слоя, в котором происходит поглощение излу- чения, но не распространяется на всю толщину образца [4]; • режим теплового баланса (10–2с и более) реализуется, когда тепловой фронт достигает не облучаемой стороны образца и выравнивает температурный профиль по толщине. Перспективность импульсной фотонной об- работки в режиме теплового баланса связана с равномерным нагревом пластины по толщине, что обеспечивает отсутствие ее деформаций [4]. При такой обработке кремниевой пластины и гетероструктур на основе кремния с использова- нием секундных импульсов следует учитывать потери теплоты на излучение от самой пластины. Процесс нагрева пластины и гетероструктуры TiN–Ti–Si импульсами секундной длительности представляют при допущениях [7]: • импульс излучения имеет прямоугольную форму; • перед облучением температура гетерост- руктуры постоянна по всему объему; • отсутствует теплообмен между пластиной и подложкодержателем; • отсутствуют градиенты температуры по всем координатам. Процесс нагрева кремниевой пластины и структуры на ней описывается уравнением теп- лового баланса [8] 4 4 0(1 ) 2 ( ), dTc h R E T T dt ρ = − − εσ − (2) где ρ – плотность кремния; с – теплоемкость кремния; h – толщина кремниевой пластины; Е – плотность мощности светового потока, па- дающего на структуру; R – отражательная спо- собность; Т0 – температура окружающей среды; t – время; ε – степень черноты; σ – постоянная Стефана – Больцмана. Характерные зависимости изменения тем- пературы от времени в исследуемых авторами режимах приведены на рис. 1. На приведенных графиках видно, что в процессе импульсной фотонной обработки происходит резкий подъ- ем температуры за короткий промежуток вре- мени. Согласно рис. 1 за 2 с при плотности энергии 285 Дж/см2 температура достигает бо- лее 800 °С. При достижении такой температуры в гетероструктуре TiN–Ti–Si создаются условия для формирования дисилицида титана TiSi2 в модификации С54. а 0 10 20 30 40 t, с 60 б 0 10 20 30 40 t, с 60 Рис. 1. Изменение температуры образца в зависимости от времени при различных плотности энергии и длительности облучения: а – 230 Дж/см2, 1,6 с; б – 285 Дж/см2, 2,0 с 800 T, °C 600 500 400 300 200 100 1000 T, °C 800 600 400 200 Нанотехнологии и наноматериалы 15 Наука Science & Technique техника, № 5, 2012 и Методами электронной просвечивающей микроскопии были проведены исследования структуры и фазового состава поверхностного слоя, образовавшегося в результате ИФО сис- темы TiN–Ti–Si. Было установлено, что при плотности энергии 170 Дж/см2 на поверхности кремния образуется силицид титана TiSi. Уве- личение плотности энергии до 300 Дж/см2 при- водит к образованию дисилицида титана TiSi2 модификации C54 (рис. 2а). На рис. 2б приве- дена структура пленок, подвергнутых ИФО. а б Рис. 2. Электронограмма на просвет (а) и структура (б) тонкопленочной системы TiN–Ti–Si после ИФО при плотности энергии 340 Дж/см2 При импульсной фотонной обработке плот- ностью энергии 340 Дж/см2 и длительностью 2,2 с происходит эпитаксиальный рост пленок дисилицида титана в модификации С54 на по- верхности кремния ориентации (001), о чем свидетельствует наличие муаровых полос на электронно-микроскопическом изображении структуры слоя TiSi2–Si (рис. 2). Средний раз- мер зерен составляет 150–200 нм. Исследования композиции Si–Fe–Si с по- мощью системы энергодисперсионного рентге- новского микроанализа показали, что атомное соотношение железо:кремний в исходной ком- позиции составляет около 1:2, что является оп- тимальным для формирования дисилицида же- леза. Кроме того, исходная композиция содер- жит существенное количество кислорода, что обусловлено абсорбцией остаточных газов при осаждении тонкопленочной системы и вкладом кислорода из слоя оксида на поверхности кремниевой пластины (рис. 3). 0 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 Energy 14.00 Рис. 3. Рентгеновские спектры исходного образца Si–Fe–Si Электронографические исследования сис- тем Si–Fe–Si показали, что осажденные пленки являлись аморфными, на электронограммах присутствует характерное гало. Импульсный отжиг при плотности энергии 100–150 Дж/cм2 не приводит к изменению вида электроно- грамм, пленки остаются аморфными. Как пока- зывает расшифровка полученных электроно- грамм от образцов после ИФО с плотностью энергии 200 Дж/cм2 и длительностью импульса 1,4 с (температура 670 °С), на поверхности сис- темы образуется поликристаллическая пленка, состоящая из дисилицида железа β-модифика- ции FeSi2. При увеличении плотности энергии до 250 Дж/cм2 вид электронограммы не изме- няется (рис. 4). Рис. 4. Электронограмма на отражение от тонкопленочной системы Si–Fe–Si после ИФО при плотности энергии 250 Дж/cм2 Результаты рентгеноспектральных измере- ний с дисперсией по энергии согласуются с данными, полученными с использованием элект- ронографии. Si 2,0 КСnt 1,6 1,2 0,8 0,4 OFe Нанотехнологии и наноматериалы 16 Наука и Science & Technique техника, № 5, 2012 В Ы В О Д Ы В результате проведенных исследований ус- тановлены основные закономерности струк- турных и фазовых превращений, происходя- щих в тонкопленочных системах TiN–Ti–Si и Si–Fe–Si при воздействии импульсов некоге- рентного излучения ксеноновых ламп с плотно- стью энергии от 100 до 340 Дж/см2. Опреде- лены оптимальные режимы импульсного фо- тонного отжига для формирования на крем- нии тонких пленок дисилицидов железа FeSi2 и титана TiSi2. При плотности энергии более 275 Дж/см2 происходит формирование дисили- цида титана в модификации С54. Результаты исследований свидетельствуют о перспектив- ности использования импульсного фотонного отжига для синтеза тонких пленок силицидов титана и железа. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Cинтез пленок TiSi2 в процессе вакуумной кон- денсации и методом импульсной фотонной обработки / В. М. Иевлев [и др.] // Конденсированные среды и меж- фазные границы. – 2009. – Т. 11, № 3. – С. 216–220. 2. Ion beam synthesized silicides: growth, characteriza- tion and devices / K. Homewood [et al.] // Thin Solid Films. – 2001. – Vol. 381, Issue 2. – P. 188–193. 3. Experimental investigation of the band edge anisotro- py of the b-FeSi2 semiconductor / M. Marinova [et al.] // Solid State Sciences. – 2008. – Vol. 10. – Р. 1369–1373. 4. Исследование сверхтонких пленок силицида желе- за, выращенных твердофазной эпитаксией на поверхности Si (001) / В. В. Балашев [и др.] // Физика твердого тела. – 2010. – Т. 52, вып. 2. – С. 370–376. 5. Формирование резистивных свойств двухфазных систем полупроводник – металл на основе FeSi1+x при малых отклонениях от стехиометрии / А. А. Повзнер [и др.] // ЖТФ. – 2001. – Т. 71, вып. 8. – С. 109–111. 6. Пилипенко, В. А. Быстрые термообработки в тех- нологии СБИС / В. А. Пилипенко. – Минск: Издательский центр БГУ, 2004. – 531 с. 7. Электрофизические и механические свойства ди- силицида титана, полученного с применением быст- рой термообработки / В. А. Пилипенко [и др.] // Вестник БГУ. – 2001. – Сер. 1. – № 2. – С. 43. 8. Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полу- проводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. – Минск: Наука и техника, 1992. – 247 с. Поступила 06.02.2012